(57)【要約】【課題】  乾燥収縮が少なくなり、ひび割抵抗性が大きくなる、二次覆工セメントコンクリートに用いるセメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いたトンネル二次覆工セメントコンクリ−トのひび割れ防止方法を提供すること。【解決手段】  膨張材、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、及び凝結遅延剤を含有してなるセメント混和材、膨張材が、カルシウムアルミノフェライトである該セメント混和材、膨張材の粒度が、ブレ−ン比表面積値で1,000〜4,500cm2/gである該セメント混和材、セメントと該セメント混和材とを含有してなるセメント組成物、該セメント組成物と水とを配合してなるセメントコンクリート、並びに、該セメントコンクリートを施工するトンネル二次覆工セメントコンクリ−トのひび割れ防止方法を構成とする。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張材、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、及び凝結遅延剤を含有してなるセメント混和材。
【請求項２】
膨張材が、カルシウムアルミノフェライトであることを特徴とする請求項１に記載のセメント混和材。
【請求項３】
膨張材の粒度が、ブレ−ン比表面積値で1,000〜4,500cm2/gであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセメント混和材。
【請求項４】
セメントと、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のセメント混和材とを含有してなるセメント組成物。
【請求項５】
請求項４に記載のセメント組成物と水とを配合してなるセメントコンクリート。
【請求項６】
請求項５に記載のセメントコンクリートを施工することを特徴とするトンネル二次覆工セメントコンクリ−トのひび割れ防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面への一次覆工後の施工やトンネルの補修等といった二次覆工セメントコンクリートに用いるセメント混和材、セメント組成物、及びそれを用いたトンネル二次覆工セメントコンクリ−トのひび割れ防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トンネル掘削等、露出した地山の崩落を防止するために、カルシウムアルミネート、凝結遅延剤、及び必要に応じ石膏を含有する急硬材を、コンクリートに配合した急硬性セメントコンクリートの一次覆工工法が行われている（特許文献１参照）。
この一次覆工工法とは、型枠を用いてコンクリートを流し込む方法に使用するコンクリートとして、急硬成分と凝結遅延剤を含有してなる急硬材とコンクリートからなり、例えば、混練後のスランプ値が20cm程度といった、型枠内に充分充填されるだけの流動性が有り、さらに、初期強度の発現性がある、急硬性コンクリートを用いるものである。
また、急硬材添加前のコンクリートは、混練後、コンクリートポンプを使用して圧送し、急硬材と混合して打設するので、一定時間、その流動性を保持することも必要である。
そして、掘削工事現場に設置した計量混合プラントで、セメント、骨材、及び水等を混合してコンクリートを調製し、アジテータ車で運搬し、コンクリートポンプで圧送し、その途中に設けた合流管で、他方から圧送した急硬材と混合し、急硬性セメントコンクリートとして一次覆工するものである。
【０００３】
二次覆工コンクリートは、一次覆工時の地山の安定性を得る必要性がないため、急硬性のない通常のコンクリ−トが使用されるのが一般的である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２１９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次覆工コンクリート施工時に、型枠を用いて従来のコンクリートを打設し、型枠の効率を上げるため24時間以内の早期の脱枠が行なわれると、二次覆工コンクリ−トにひび割れを生じやすいという課題があった。
【０００６】
本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、特定のセメント混和材を使用することにより、また、特定の組成を有するセメントコンクリートを使用することにより、上記課題を解決できる知見を得て本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、膨張材、アルミノケイ酸カルシウムガラス、石膏、及び凝結遅延剤を含有してなるセメント混和材であり、膨張材が、カルシウムアルミノフェライトである該セメント混和材であり、膨張材の粒度が、ブレ−ン比表面積値で1,000〜4,500cm2/gである該セメント混和材であり、セメントと該セメント混和材とを含有してなるセメント組成物であり、該セメント組成物と水とを配合してなるセメントコンクリートであり、該セメントコンクリートを施工するトンネル二次覆工セメントコンクリ−トのひび割れ防止方法である。
【０００８】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
なお、本発明では、ペースト、セメント、及びコンクリートを総称してセメントコンクリートという。
【０００９】
本発明で使用する膨張材は、石灰系膨張材、カルシウムサルフォアルミネ−ト系膨張材、及びカルシウムアルミノフェライト系膨張材のいずれも使用可能である。そのうち、CaO-Al2O3-Fe2O3系化合物を含有するカルシウムアルミノフェライト系膨張材の使用が、夏季等の高温時の経時変化がより少なく、また、使用量が少なくより好ましい。
膨張材の粒度は、通常、ブレ−ン比表面積値（以下、ブレ−ン値という）で1,000〜4,500cm2/gが好ましく、1,500〜3,500cm2/gがより好ましい。1,000cm2/g未満では未反応物が長期間残存し、耐久性を低下させる場合があり、4,500cm2/gを超えると水和反応が早く、所定の膨張性能が得られない場合がある。
膨張材の使用量は、セメント、膨張材、アルミノケイ酸カルシウムガラス、及び石膏からなる結合材100部中、１〜13部が好ましく、２〜10部がより好ましい。１部未満では充分なひび割れ防止効果が得られない場合があり、13部を超えると強度低下や膨張量が大きくなるため、配筋や一次覆工コンクリ−トとの拘束との処理を考慮する必要があり、施工が複雑になる場合がある。
【００１０】
本発明で使用するアルミノケイ酸カルシウムガラス（以下、ＣＡＳガラスという）は、カルシア（CaO）を含む原料と、アルミナ（Al2O3）を含む原料、及びケイ酸（SiO2）を含む原料等を混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、CaO、Al2O3、及びSiO2を主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称である。
また、CaO及び／又はAl2O3の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した物質、あるいは、CaO、Al2O3、及びSiO2を主成分とするものに、これらが少量固溶した物質を含むものである。
そして、鉱物形態としては、溶融体を圧縮空気や高圧水等により急冷することによって得られるガラス質である。
ＣＡＳガラスの成分割合は、CaO30〜60部、Al2O320〜60部、及びSiO2５〜25部が好ましく、CaO30〜55部、Al2O330〜60部、及びSiO210〜20部がより好ましい。CaOが30部未満、あるいは、Al2O3が60部を超えると急硬性が劣る場合があり、CaOが60部を超えるか、あるいは、Al2O3が20部未満では凝結遅延剤を多量に併用しても瞬結してしまい、作業性の面から好ましくない。また、SiO2が５部未満では長期的な強度の伸びが期待できず、25部を超えると初期強度が小さい場合がある。
また、ＣＡＳガラス中のガラス質は80部以上が好ましい。
ＣＡＳガラスの粒度は、ブレーン値で3,000cm2/g以上が好ましく、4,000cm2/g以上がより好ましい。3,000cm2/g未満では急硬性や初期強度発現性が低下する場合がある。
【００１１】
本発明で使用する石膏は市販のいずれの石膏も使用できるが、強度発現性の面で、II型無水石膏及び／又は天然無水石膏の使用が好ましい。
石膏の粒度は、ブレーン値で3,000cm2/g以上が好ましく、4,000〜7,000cm2/gがより好ましい。3,000cm2/g未満では初期強度発現性が低下する場合がある。
石膏の使用量は、ＣＡＳガラスと石膏からなる急硬成分100部中、30〜80部が好ましく、35〜70部がより好ましい。30部未満では長期強度発現性が小さい場合があり、80部を超えると初期強度発現性が小さい場合がある。
【００１２】
急硬成分の使用量は、セメント、膨張材、及び急硬成分からなる結合材100部中、５〜30部が好ましく、10〜25部がより好ましい。５部未満では初期強度発現性が小さい場合があり、30部を超えると長期強度が小さい場合がある。
【００１３】
本発明で使用する凝結遅延剤は、セメントコンクリートの作業性保持を可能とするものであり、圧送性を確保できる材料である。凝結遅延剤は、粉状、スラリー状、又は液状いずれも使用可能である。
凝結遅延剤としては、有機酸類やアルカリ金属炭酸塩類等が挙げられる。これらの中では、硬化時間をコントロールでき、硬化後の強度発現性が良好な点で、有機酸類とアルカリ金属炭酸塩類を併用することが好ましい。
【００１４】
有機酸類は、有機酸又はその塩であり、具体的には、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、及びリンゴ酸等のオキシカルボン酸又はこれらの塩の一種又は二種以上の使用が可能であり、その塩としては、ナトリウム塩やカリウム塩が好ましい。これらの中では、使用量と正比例して凝結時間が長くなり、コントロールがしやすく、凝結遅延剤をスラリー化した混和材に使用した場合、カルシウム成分と化学反応を起こしにくく、スラリーが発熱しにくい面で、有機酸塩が好ましく、オキシカルボン酸塩がより好ましい。
【００１５】
アルカリ金属炭酸塩類（以下、炭酸アルカリという）としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、及び炭酸カリウムなどの炭酸塩や、炭酸水素ナトリウムや炭酸水素カリウムなどの重炭酸塩が挙げられ、これらのうち、硬化後の強度発現性が良好な面で、アルカリ金属炭酸塩が好ましく、炭酸カリウムがより好ましい。
有機酸類と炭酸アルカリを併用した場合の両者の混合割合は、炭酸アルカリ100部に対して、有機酸類５〜200部が好ましく、10〜100部がより好ましい。５部未満では硬化時間をコントロールできず、セメントコンクリートの圧送性が低下してホースなどが閉塞する場合があり、200部を超えると強度発現性が低下する場合がある。
【００１６】
凝結遅延剤の使用量は、セメントコンクリートの運搬時間、作業時間、及び温度等により変動するため、一義的に決定することは難しいが、通常、結合材100部に対して、0.1〜10部が好ましく、0.3〜７部がより好ましい。0.1部未満では硬化時間をコントロールすることできず、セメントコンクリートの圧送性が低下してホースなどが閉塞したり、強度発現性が低下する場合があり、７部を超えると強度発現性が低下する場合がある。
【００１７】
ここで、セメントとしては、通常市販されている普通、早強、中庸熱、低熱、及び超早強等の各種ポルトランドセメント、これらのポルトランドセメントにフライアッシュや高炉スラグなどを混合した各種混合セメント、並びに、エコセメントなどが挙げられ、これらを微粉末化して使用することも可能である。これらの中では、普通ポルトランドセメント及び／又は早強ポルトランドセメントが好ましい。
【００１８】
本発明で使用する骨材は、細骨材、粗骨材のいずれも使用可能である。
細骨材としては、天然砂、珪砂、砕砂、及び石灰砂等が挙げられ、粗骨材としては、川砂利、山砂利、砕石、及び石灰砂利等が挙げられる。
粗骨材の最大粒径は５〜25mmが好ましい。25mmを超えると、施工断面が厚くなり、かぶり厚さや鉄筋間隔等の施工を考慮しなけれならない場合がある。
本発明で使用するセメントコンクリートの細骨材率（Ｓ／ａ）は、単位水量、流動性、及び細骨材のＦＭ値等により変動するが、通常、40％以上が好ましく、45〜60％がより好ましい。40％未満ではホースが詰まり、圧送性が悪くなり、セメントコンクリートを型枠に投入した後にジャンカができる場合がある
【００１９】
本発明において、水結合材比（Ｗ／Ｐ）は、35〜65％が好ましく、40〜60％がより好ましい。35％未満ではセメントコンクリートの粘性が大きくなり、作業性や圧送性が低下する場合があり、65％を超えると耐久性が得られない場合がある。
【００２０】
本発明では、さらに、減水剤を使用することが可能である。
減水剤とは、流動性を得るものであり、液体や粉体いずれも使用でき、具体的には、リグニンスルホン酸塩やその誘導体、また、高性能減水剤等が挙げられ、これらの一種又は二種以上が使用可能である。これらの中では、凝結遅延効果、流動性、及び圧送性が大きい面で、高性能減水剤が好ましい。
【００２１】
高性能減水剤としては、ポリエチレングリコールなどのポリオール誘導体、芳香族スルホン酸系高性能減水剤、ポリカルボン酸系高性能減水剤、エチレングリコ−ル鎖及びスルホン酸基を含有するポリエ−テル系高性能減水剤、メラミン系高性能減水剤、及びこれらの混合物等が挙げられる。これらの中では、凝結遅延効果、流動性、及び圧送性が大きい点で、芳香族スルホン酸系、ポリカルボン酸系、及びポリエ−テル系高性能減水剤が好ましい。
減水剤の使用量は、結合材100部に対して、0.2〜３部が好ましく、0.5〜２部がより好ましい。0.2部未満ではセメントコンクリートの圧送性が小さく、流動性を保持できない場合があり、３部を超えるとセメントコンクリートの凝結が不良となり、経済的ではなく、初期強度発現性が小さい場合がある。
【００２２】
本発明のセメントコンクリートの硬化は、ミキサで水と混合された時点から始まるが、その硬化時間は２〜180分であることが好ましく、５〜120分であることがより好ましい。２分未満ではホース内で閉塞し、トルネル型枠内にセメントコンクリートが充分に充填できないおそれがあり、180分を超えると強度発現性が低下し、型枠の脱枠が遅くなり、トンネル覆工の作業性が悪くなるおそれがある。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のセメントコンクリートを使用することにより、乾燥収縮が少なくなり、ひび割抵抗性が大きくなる。
【実施例１】
【００２４】
以下、本発明を実施例にて詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
【００２５】
Ｗ／Ｐが57％、Ｓ／ａが47％、及び結合材Ｐの単位量が300kg/m3のコンクリート配合を用い、セメント73部、表１に示す膨張材７部に、ＣＡＳガラスＡと石膏の等量混合物である急硬成分20部、並びに、結合材100部に対して凝結遅延剤0.3部を用い、練り混ぜてコンクリートを調製した。
調製したコンクリートのスランプ、空気量、硬化時間、圧縮強度、及び乾燥収縮を、試験実施温度は20℃で測定した。結果を表１に併記する。
【００２６】
＜使用材料＞
セメント  ：普通ポルトランドセメント、３種混合品、ブレーン値3,420cm2/g、密度3.14g/cm3
膨張材    ：カルシウムアルミノフェライト、密度3.06g/cm3
ＣＡＳガラスＡ：CaO／Al2O3／SiO2＝50／45／10、ガラス化率100％、ブレーン値5,050cm2/g
石膏      ：無水セッコウの粉砕品、ブレーン値4,900cm2/g
凝結遅延剤：クエン酸／炭酸カリウム重量比３／７の混合物
細骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂、密度2.60g/cm3、ＦＭ＝2.82
粗骨材：新潟県糸魚川市姫川産川砂利、密度2.67g/cm3、最大骨材寸法25mm
【００２７】
＜測定方法＞
スランプ  ：JIS A 1101  「コンクリートのスランプ試験方法」により測定
空気量    ：JIS A 1128  「フレシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法」により測定
硬化時間  ：混合後、コンクリートの温度が１℃上昇した時点
圧縮強度  ：JIS A 1108  「コンクリートの圧縮強度試験方法」により、打設18時間後に測定
乾燥収縮  ：脱型までは乾燥を防ぐため、コンクリ−ト表面にポリシ−トで覆い、JIS A 6202  「コンクリート用膨張材」Ｂ法により、開始材齢を18時間後として測定
【００２８】
【表１】
2005336039.tif 000002
【実施例２】
【００２９】
表２に示すセメント、ブレーン値2,820cm2/gの膨張材、及びＣＡＳガラスＡと石膏の等量混合物である急硬成分、並びに、結合材100部に対して、凝結遅延剤0.3部と減水剤0.7部とを用い練り混ぜ、コンクリートを調製したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
【００３０】
＜使用材料＞
減水剤：ポリカルボン酸系高性能減水剤、液状、市販品
【００３１】
【表２】
2005336039.tif 000003
【実施例３】
【００３２】
セメント73部、ブレーン値2,820cm2/gの膨張材７部、及び表３に示すＣＡＳガラスと石膏の混合物である急硬成分20部の配合を用いたこと以外は実施例２と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００３３】
＜使用材料＞
ＣＡＳガラスＢ：CaO／Al2O3／SiO2＝50／45／５、ガラス化率100％、ブレーン値5,100cm2/g
ＣＡＳガラスＣ：CaO／Al2O3／SiO2＝50／45／20、ガラス化率100％、ブレーン値5,050cm2/g
ＣＡＳガラスＤ：CaO／Al2O3／SiO2＝50／45／25、ガラス化率100％、ブレーン値5,000cm2/g
【００３４】
【表３】
2005336039.tif 000004
【実施例４】
【００３５】
セメント73部、ブレーン値2,820cm2/gの膨張材７部、及びＣＡＳガラスＡと石膏の等量混合物である急硬成分20部の配合を用い、表４に示すＷ／Ｐ、Ｓ／ａ、及び減水剤を用いたこと以外は実施例２と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００３６】
【表４】
2005336039.tif 000005